(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の中心軸と、第１の閉端と、第１の開放端とを有する第１の誘電体シリンダと、
前記第１の誘電体シリンダと連通し、第１のガスを前記第１の誘電体シリンダ中に供給するのに適合した第１のガス吸気口と、
前記第１の誘電体シリンダを取り囲み、高周波パワーを前記第１のガスに誘導的に結合させるのに適合した第１のアンテナと、
を有する第１の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源と、
第２の中心軸と、第２の閉端と、第２の開放端とを有する第２の誘電体シリンダと、
前記第２の誘電体シリンダと連通し、第２のガスを前記第２の誘電体シリンダ中に供給するのに適合した第２のガス吸気口と、
前記第２の誘電体シリンダを取り囲み、高周波パワーを前記第２のガスに誘導的に結合させるのに適合した第２のアンテナと、
を有する第２のＩＣＰ源と、
チャンバ筐体であって、該チャンバ筐体は拡散チャンバを規定し、第１端および第２端であって、前記拡散チャンバの前記第１端は前記第１の誘電体シリンダの前記第１の開放端と連通し、前記拡散チャンバの前記第２端は前記第２の誘電体シリンダの前記第２の開放端と連通している、第１端および第２端と、第２の寸法よりも非常に大きな第１の寸法を有し、該より長い第１の寸法は、前記第１の中心軸に平行である抽出用開口とを有するチャンバ筐体と、
を備えることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記第２の中心軸は、前記抽出用開口の前記より長い第１の寸法に平行であり、前記第１の誘電体シリンダの前記第１の中心軸と同軸である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
マルチカスプ磁場を生成するための前記チャンバ筐体を取り囲む、追加のマグネットを更に備える、請求項２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記第１のアンテナと連通する第１の高周波電源と、前記第２のアンテナと連通する第２の高周波電源とを更に備え、各々は前記対応するアンテナにパワーを供給するように適合されている、請求項２に記載のイオン源。
【請求項５】
前記高周波パワーは、２つの独立なマッチング回路により前記第１および第２のアンテナに供給される、請求項４に記載のイオン源。
【請求項６】
前記抽出用開口付近に位置し、前記拡散チャンバからのイオンの射出を可能にするのに適合した抽出用光学素子を更に備える、請求項２に記載のイオン源。
【請求項７】
第１の中心軸と、第１の閉端と、第１の開放端とを有する第１のシリンダと、
前記第１のシリンダと連通し、第１のガスを前記第１のシリンダ中に供給するのに適合した第１のガス吸気口と、
前記第１のシリンダを取り囲み前記第１のシリンダ内に第１の軸方向の磁場を生成するのに適合した第１のマグネットと、
前記第１の閉端に隣接し前記第１のシリンダ中に第１のマイクロ波を導入する第１の誘電体窓であって、前記第１のマイクロ波と前記第１の軸方向の磁場は前記第１のガスをイオン化するために結合する、第１の誘電体窓と、
を有する第１の電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源と、
第２の中心軸と、第２の閉端と、第２の開放端とを有する第２のシリンダと、
前記第２のシリンダと連通し、第２のガスを前記第２のシリンダ中に供給するのに適合した第２のガス吸気口と、
前記第２のシリンダを取り囲み前記第２のシリンダ内に第２の軸方向の磁場を生成するのに適合した第２のマグネットと、
前記第２の閉端に隣接し前記第２のシリンダ中に第２のマイクロ波を導入する第２の誘電体窓であって、前記第２のマイクロ波と前記第２の軸方向の磁場は前記第２のガスをイオン化するために結合する、第２の誘電体窓と、
を有する第２のＥＣＲプラズマ源と、
チャンバ筐体であって、該チャンバ筐体は拡散チャンバを規定し、第１端および第２端であって、前記拡散チャンバの前記第１端は前記第１のシリンダの前記第１の開放端と連通し、前記拡散チャンバの前記第２端は前記第２のシリンダの前記第２の開放端と連通している、第１端および第２端と、第２の寸法よりも非常に大きな第１の寸法を有し、該より長い第１の寸法は、前記第１の中心軸に平行である抽出用開口とを有するチャンバ筐体と、
を備えることを特徴とするイオン源。
【請求項８】
マルチカスプ磁場を生成するための前記チャンバ筐体を取り囲む、追加のマグネットを更に備える、請求項７に記載のイオン源。
【請求項９】
前記第１および第２のマグネットは、複数のソレノイドを備え、前記イオン源は、前記複数のソレノイドにより生成される磁場を制御するための直流電源を更に備える、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記第１および第２のマグネットは、複数のソレノイドを備え、前記イオン源は、第１および第２の直流電源を更に備え、前記複数のソレノイドの各々は対応する電源により制御される、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１１】
前記第１および第２のマグネットは永久磁石からなる、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１２】
前記抽出用開口付近に位置し、前記拡散チャンバからのイオンの射出を可能にするのに適合した抽出用光学素子を更に備える、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１３】
イオンビームの均一性を調整する方法であって、
イオン源を設ける工程であって、前記イオン源は、
第１の中心軸と、第１の閉端と、第１の開放端とを有する第１のシリンダと、
前記第１のシリンダと連通し、第１のガスを前記第１のシリンダ中に供給するのに適合した第１のガス吸気口と、
前記第１のガスをイオン化してプラズマにする第１の手段と、
を有する、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源および電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源からなる群から選ばれた第１のプラズマ源と、
第２の中心軸と、第２の閉端と、第２の開放端とを有する第２のシリンダと、
前記第２のシリンダと連通し、第２のガスを前記第２のシリンダ中に供給するのに適合した第２のガス吸気口と、
前記第２のガスをイオン化してプラズマにする第２の手段と、
を有する、誘導結合プラズマ源および電子サイクロトロン共鳴プラズマ源からなる群から選ばれた第２のプラズマ源と、
チャンバ筐体であって、該チャンバ筐体は拡散チャンバを規定し、第１端および第２端であって、前記拡散チャンバの前記第１端は前記第１のシリンダの前記第１の開放端と連通し、前記拡散チャンバの前記第２端は前記第２のシリンダの前記第２の開放端と連通している、第１端および第２端と、第２の寸法よりもずっと大きな第１の寸法を有し、該より長い寸法は、前記第１の中心軸に平行である抽出用開口とを有するチャンバ筐体と、
を備えることを特徴とするものである、工程と、
前記イオン源の特性であって、前記特性は、前記第１および第２のガスをイオン化する手段に関連したパラメータと、前記第１および第２のガスの前記第１および第２のガス吸気口への流量とからなる群から選ばれた特性、を調整する工程と、
を含む方法。
【請求項１４】
前記プラズマ源は、ＩＣＰ源からなり、前記ガスをイオン化する前記第１および第２の手段が、
前記第１のシリンダを第１の高周波電源と連通する第１のアンテナで取り囲み、
前記第２のシリンダを第２の高周波電源と連通する第２のアンテナで取り囲み、
前記高周波電源を起動して、前記アンテナの各々にパワーを与え、前記第１および第２のガスをイオン化する前記手段に関連するパラメータは、前記高周波電源の出力を調整するものである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記プラズマ源は、ＥＣＲプラズマ源からなり、前記ガスをイオン化する前記第１および第２の手段が、
前記第１のシリンダを第１のソレノイドで取り囲み、
前記第２のシリンダを第２のソレノイドで取り囲み、
電磁波を前記第１および第２のシリンダに導入し、直流電源を起動して前記ソレノイドによって生成された磁場プロファイルを制御し、前記第１および第２のガスをイオン化する前記手段に関連するパラメータは、前記ソレノイドにおける電流を調整するものである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記プラズマ源は、ＥＣＲプラズマ源からなり、前記ガスをイオン化する前記第１および第２の手段が、
前記第１のシリンダを第１の永久磁石で取り囲み、
前記第２のシリンダを第２の永久磁石で取り囲み、
電磁波を前記第１および第２のシリンダに導入し、
前記第１および第２のガスをイオン化する前記手段に関連するパラメータは、前記永久磁石の軸方向位置を調整するものである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記プラズマ源は、ＥＣＲプラズマ源からなり、前記ガスをイオン化する前記第１および第２の手段が、
マイクロ波を前記第１の閉端上の第１の誘電体窓を介して前記第１のシリンダに導入し、
マイクロ波を前記第２の閉端上の第２の誘電体窓を介して前記第２のシリンダに導入し、
前記第１および第２のガスをイオン化する前記手段に関連するパラメータは、前記第１および第２のシリンダに注入された前記マイクロ波のパワーを調整するものである、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
イオン注入装置は、集積回路（ＩＣ）の製造において、ｐ型またはｎ型ドーピングにより、半導体、大抵はシリコンのウェーハ中に、異なる導電型の領域を形成するために広く使用されている。このような装置において、プラズマ源はドーパントガスをイオン化するために使用される。陽イオンのビームがプラズマ源から抽出されて所望のエネルギーまで加速され、質量フィルタリングされた後、ウェーハに導かれる。イオンがウェーハに衝突すると、そのイオンは（イオンの運動エネルギーと質量に依存する）特定の深さまで侵入し、（ドーパント種の濃度に依存して）ウェーハ中に異なる導電型の領域を形成する。これらの領域のｎ型またはｐ型ドーピングの性質は、それらの幾何学的構成とともに、それらの領域の機能、例えばトランジスタ内のｎ−ｐ−ｎまたはｐ−ｎ−ｐ接合を特徴づける。多くのこうしたドープ領域の相互接続により、ウェーハを複雑な集積回路へと変換させることができる。
【０００２】
代表的なイオン注入装置５０のブロック線図を図１に示す。電源１は、ドーピングガスのイオン化を可能にするように、必要なエネルギー（直流または高周波）をプラズマ源２に供給する。ドーピングガスは、マスフロー制御システム（図示せず）により、真空ポンプシステムにより保証されるｍＴｏｒｒの範囲の圧力下で、プラズマチャンバ内に供給される。所望のドーパントに依存して、ＢＦ３、ＰＦ３、ＡｓＦ３、ＧｅＦ４、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＧｅＨ４等のような、異なるフッ化物または水素化物ドーピングガスが、キャリアガスとともに／なしに導入される。プラズマチャンバは開口３を有しており、この開口３を通して一組の電極４によりイオンが抽出される。広く使用されている手法は、プラズマチャンバ開口を高い正電位とし、第２電極（抑制電極）を負電位とし、最後の第３電極を接地電位とする三極管コンビネーションである。第２電極の役割は、２次電子がプラズマチャンバに流れ戻るのを防止することである。しかしながら、四極管、五極管あるいはアインツェルレンズのような別の抽出用電極コンビネーションも可能である。これらの射出イオンはビーム２０となり、次いで質量分析マグネット６を通過する。抽出されたイオンビームは、イオンの混合物からなる。例えば、ＢＦ３ガスから抽出されたビームは、主にＢＦ３＋、ＢＦ２＋、ＢＦ＋、Ｂ＋およびＦ＋イオンからなる。従って、質量分析器を用いて、イオンビームから所望でない成分を除去して、所望のエネルギーを有する単一のイオン種（ＢＦ３の場合、Ｂ＋イオン）からなるイオンビームとすることが必要である。エネルギーを所望のレベルまで低減するために、所望の種のイオンは、次に減速ステージ８を通過し、この減速ステージ８は１または複数の電極を有することができる。この減速ステージからは発散イオンビームが出力される。そこで、修正用マグネット１０を用いてイオンビームを拡張し、平行リボンビームへと変換する。角度補正器１０に続いて、リボンビームはウェーハまたは加工物の方向に向けられる。幾つかの実施例において、第２の減速ステージ１２を追加することができる。ウェーハまたは加工物は、ウェーハサポート１４に取り付けられる。ウェーハサポート１４は、ウェーハがビームの経路中に導入され固定リボンビーム中を上下に通過できるように、垂直方向に動作する。ウェーハサポート１４は、イオン注入をウェーハ表面に対して異なる入射角で行えるように、回転させることもできる。ウェーハをビーム経路から離すことにより、ファラデーカップ１６によりビーム電流を測定することができる。得られたビーム電流値および所望のドーズ量に基づいて、ウェーハ暴露時間または走査速度およびリボンビームを通過する回数が計算される。
【０００３】
プラズマ源からのイオン抽出速度が以下の式で与えられることを考慮すると、限定数のプラズマ源により、プラズマ密度はイオン源として十分に有用な十分なプラズマ密度を有していることが分かる。
【数１】
0005767627.tif 000002
ここで、Ａは抽出用開口の面積、ｎはイオン密度（恐らく電子密度に等しい）、およびｖＢ＝（ｋＢＴｅ／ｍｉ）１／２はボーム速度である（ｋＢ、Ｔｅおよびｍｉは、それぞれボルツマン定数、電子温度およびイオン質量である）。バーナス源のような幾つかの実施例においては、アーク放電がプラズマを生成する。高アークプラズマ密度を維持するのに必要な電子束を生成するために、タングステンフィラメントが使用される。同様にアーク放電の一形態である間接加熱カソード（ＩＨＣ）のような別の実施例においては、フィラメントのプラズマへの有害な露出を防止してプラズマ源の寿命を延ばすために、必要な電子はＩＨＣからの熱イオン放射により提供される。これらの擬似熱プラズマ源は、所望のイオン密度を生成するのに有用である一方、アークチャンバ内で達した高温のために、典型的には原子イオンを生成するためのみに使用される。分解エネルギーは典型的には低いため、プラズマアークにおける熱エネルギーは、分子結合を切断して供給ガスをより小さな分子または原子に断片化するのに十分高いことが多い。
【０００４】
低いイオンエネルギーが必要とされる浅い注入用途に対して、有害な空間電荷効果を解決してイオン注入プロセスの生産性を増加させるためには、分子中の活性ドーパントの含有量が高い、Ｃ２Ｂ１０Ｈ１２、Ｂ１０Ｈ１４およびＢ１８Ｈ２２のような分子ガスが使用できることが分かった。得られた分子イオンはより高いエネルギーで加速され、有害な空間電荷効果からビームを守ることができる。しかしながら、それらの重い質量のために、浅い注入を行うことができる。
【０００５】
活性ドーパント中にドーパント原子イオンよりも分子イオンが豊富であることが必要な注入プロセスにおいては、高周波誘導結合放電のような低温プラズマ源が適している。これらの放電において、プラズマは、高周波発生装置からのパワーをアンテナを介して結合させることにより生成される。このような１つのプラズマ源は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源である。アンテナから流れる高い高周波電流は振動磁場を引き起こし、マクスウェルの第３法則によれば、限定された空間領域（表皮厚さ）に、高周波励起周波数およびガス圧の関数である強電界を形成する。これらの電界により加速された電子は、ガス分子をイオン化してプラズマを生成するのに十分なエネルギーを得る。生成されたプラズマは、電子がイオン温度または中性温度よりもはるかに高い温度を有しているため（大抵、２〜７ｅＶ）、熱平衡状態にはない。
【数２】
0005767627.tif 000003
【０００６】
イオン注入目的のための別の可能なプラズマ源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）源である。ＥＣＲ源の動作原理は、プラズマを加熱するために電子サイクロトロン共鳴を利用する。後に定義される電子サイクロトロン共鳴に対応する周波数にて、マイクロ波がボリュームに注入される。ボリュームは、低圧のガスを含むことができる。マイクロ波はガス中の自由電子を加熱し、ボリューム中のガスの原子または分子と次々に凝集させてイオン化を引き起こす。
【０００７】
コールドプラズマにおいて、磁場方向に沿った波動は、以下の分散関係に従う。
【数３】
0005767627.tif 000004
ここで、Ｎは反射率、ｆｐｅ＝（ｎｅｅ２／４π２ε０ｍｅ）１／２は、プラズマ周波数（ｎｅ、ｅ、ε０、およびｍｅはそれぞれ電子密度、電荷、真空の誘電率、電子質量）、ｆｃｅ＝ｅＢ／２πｍｅは、電子サイクロトロン周波数、ｋおよびｋ｜｜は、それぞれ全磁場、平行磁場の波数である。分数の前に“＋”符号を示した式は右旋偏波に対応し、他方（“−”符号）は左旋偏波に対応している。ＥＣＲ源に対応するのは右旋偏波（ＲＨＰ波）であり、これは、右旋偏波は、カットオフのない磁場強度についての任意の高プラズマ密度に対して伝播できるからである。より重要なことは、ＲＨＰ波は電子サイクロトロン周波数にて共鳴することであり、これは、パワーを電子要素に結合させることによりプラズマを効率的に加熱できることを意味している。最も一般的なマイクロ波周波数（２．４５ＧＨｚ）に対して、磁場強度Ｂが８７５ガウスの時に共鳴条件が満足される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
簡単な設計のために（ＩＣＰ源については螺旋アンテナ、ＥＣＲ源については環状マグネット）、このようなプラズマ源に対して円筒形状が採用された。この形状の欠点は、プラズマが径方向に不均一であり、つまり、プラズマ列が放電軸上で非常に尖鋭化された（鋭いピークを有する）密度プロファイルを有していることである。この径方向に沿った不均一なプラズマ密度のプロファイル特性は、この形状の大面積プラズマ処理への用途を限定することになる。従って、典型的には処理チャンバ（拡散または拡張チャンバ）をプラズマ源とともに使用して、プラズマ源において生成されたプラズマが、処理チャンバ内で拡張して尖鋭化された密度プロファイルを緩和させるようにする。しかしながら、図２に示すように、密度プロファイルは、プラズマ源におけるプラズマ密度プロファイルに追従するため、密度プロファイルがより滑らかになったとしても、幾つかの用途には、その密度プロファイルは許容できるものではない。
【０００９】
従って、ＩＣＰおよび／またはＥＣＲプラズマ源により生成された比較的高いプラズマ密度を効率的に利用し、幅広く均一なリボンビームを生成することができるイオン源は、イオン注入の観点からは有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示は従来技術の問題を扱い、幅広いリボンビームを生成することができ、１つまたは２つのＩＣＰまたはＥＣＲプラズマ源を利用するイオン源について記載する。イオン源は、プラズマ源に加えて拡散チャンバも含む。この拡散チャンバは金属製シリンダであり、シリンダの中心軸に向けられた抽出用開口を有する。こうして、プラズマ源の円筒対称性に付随する尖鋭化された径方向の密度プロファイルは、もはや関係なくなる。
【００１１】
一実施例において、拡散チャンバにおいて軸方向に沿った均一のプラズマ密度ひいては均一の抽出リボンビームを生成するために、拡散チャンバの互いに反対側の端に位置するデュアルＩＣＰまたはＥＣＲプラズマ源が使用される。
【００１２】
更なる実施例において、抽出されるイオンビームの均一性をさらに改善するために、拡散チャンバを取り囲むマルチカスプ磁場が使用される。
【００１３】
ガス流量、入力高周波またはマイクロ波パワー、駆動周波数、およびＥＣＲ源については各プラズマ源に対する軸方向磁場の形状、を含む複数の独立制御により、ビームの均一性についても制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】代表的な高電流イオン注入装置のブロック線図である。
【図２】円筒対称プラズマ源用のプラズマ源および拡散チャンバにおける径方向のプラズマ密度プロファイルである。
【図３】従来のＩＣＰプラズマ源の主要な要素を示す図である。
【図４】ａは従来のＥＣＲプラズマ源の主要な要素を示す図であり、ｂはａに含まれるＥＣＲプラズマ源に関連する磁場プロファイルを示す図である。
【図５ａ】デュアルＩＣＰプラズマ源の一実施例の側面図である。
【図５ｂ】デュアルＥＣＲプラズマ源の一実施例の側面図である。
【図６ａ】拡散チャンバの第１実施例の側面図である。
【図６ｂ】１つの抽出用開口を有する図６ａの拡散チャンバの横断面図である。
【図６ｃ】複数の抽出用開口を有する図６ａの拡散チャンバの透視断面図である。
【図６ｄ】図５ａおよびｂに示されたイオン源の第１実施例の端面図である。
【図７ａ】拡散チャンバの第２実施例の側面図である。
【図７ｂ】直径を含み抽出用開口に平行な面における図７ａの拡散チャンバの縦断面図である。
【図７ｃ】直径および開口を含む面における図７ａの拡散チャンバの縦断面図である。
【図７ｄ】図５ａおよびｂに示されたイオン源の第２実施例の端面図である。
【図８ａ】複合型ＥＣＲプラズマ源および拡散チャンバにおける軸方向磁場誘導の分散を示すグラフである。
【図８ｂ】直径を含み抽出用開口に平行な面における図７ａの拡散チャンバの縦断面である。
【図９】シリコンウェーハ上に製造された太陽電池セルにドープするためのイオン源の構成を示す図である。
【図１０】太陽電池セルホイルにドープするためのイオン源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図３は、縦断面において、典型的なＩＣＰプラズマ源１００の主要な要素を示している。低圧ガスを含み、アンテナ１０５からプラズマへの高周波結合を可能にするために、誘電体シリンダ１１０を用いることが好ましい。適切な機能のために、シリンダ内のガス圧は、２０ｍＴｏｒｒ未満に維持されることが好ましい。誘電体シリンダ１１０は、石英、ＰＹＲＥＸ（登録商標）、アルミナまたはサファイアのような、任意の適切な誘電体材料で構成することができる。誘電体シリンダの周りには、螺旋アンテナ１０５が堅く巻き付けられており、高周波パワーをプラズマの電気的要素に結合させるために使用される。アンテナ１０５は、冷却できるように銅管で構成することが好ましく、高周波電源１２０によりパワーが供給される。様々なプラズマインピーダンスへの高周波マッチングは、自動Ｌ型またはπ型マッチング回路１２５により実現できる。別の実施例において、アンテナ１０５は、誘電体シリンダの壁に組み込むことができる。アンテナによって転送されたエネルギーは、誘電体シリンダ内でガスをイオン化するために使用される。ＩＣＰ源の一端は、フランジ１１５により終端されており、このフランジは、所望の作業用ガス１０１が所定の流量でチャンバ内に導入されるガス吸気口１３０を含むことが好ましい。他端は開放されており、誘電体シリンダ１１０を金属製拡散チャンバ（図示せず）に接続するための弾性継手１３５を有することが好ましい。
【００１６】
図４ａは、縦断面において、典型的なＥＣＲプラズマ源１５０の主要な要素を示している。シリンダ１５５は、低圧ガスを含むために使用することが好ましい。適切な機能のために、非磁性材料で作られるシリンダ１５５内のガス圧は、２０ｍＴｏｒｒ未満に維持されることが好ましい。電子サイクロトロン共鳴ゾーンを形成するために、磁石１６０、最も好適には１キロガウスを超える軸方向磁場を与えることができるソレノイドまたは複数の軸対称ソレノイドにより、必要な磁場が与えられる。これにより、ＥＣＲ源を典型的な２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数にて動作させることができる。しかし、別の高周波周波数も利用可能である。Ｓｍ−ＣｏまたはＮｄ−Ｆｅ−Ｂの積層永久磁石により、より高い磁場強度値を与えることができる。このように、本開示全体に亘って、磁石１０は、１または複数のソレノイド、あるいは永久磁石構造を表すものとして了解する。ＥＣＲ源の一端は、フランジ１６５により終端されており、このフランジ１６５は、所望の作業用ガス１５１が所定の流量にてチャンバ内に導入されるガス吸気口１７０を含むことが好ましい。この端部は、マイクロ波カプラ（当業者には周知である）およびマイクロ波１５７がシリンダ１５５に入ることができる誘電体窓１６８を含むことができる。この誘電体窓１６８は、石英、アルミナまたはサファイアのような材料で作ることができる。これらのマイクロ波は、軸方向の特定の位置での磁場の値により規定される電子サイクロトロン共鳴に等しい周波数にある。他端は開放されており、シリンダ１５５を金属製拡散チャンバに接続するための弾性継手１８０を有することが好ましい。ソレノイド１６０は、直流電源（図示せず）により電力が供給される。電流の方向または永久磁石の向きは、磁気誘導（Ｂ）がシリンダ２１０の解放端に向かい、それによりＲＨＰ波の伝播を可能にするように選択される。ソレノイド１６０に付随して使用されている・および×の記号は、電流が紙面に出入りすることを表すために使用されている。
【００１７】
磁気シリンダの相対的な軸方向位置は、望ましい電子サイクロトロン共鳴ゾーンが図４ｂにおける斜線ゾーンによって示されるプラズマ源の解放端に空間的に位置するように、正確に調整することができる。マイクロ波の伝播は、電子サイクロトロン共鳴値よりも高い磁場強度値が必要であるため、共鳴ゾーンの上流ほど磁場強度が高い、つまり誘電体窓からプラズマ源の解放端に向かって小さくなることが前提となっている。さもないと、共鳴ゾーンに到達する前に波が減衰する可能性がある。
【００１８】
上述のプラズマ源は、典型的にはシリンダ１１０および１５５の中心軸に沿って尖鋭化された径方向密度プロファイルを有するプラズマを生成する。拡散チャンバと連結して用いた場合でさえ、多少平坦化されるものの、拡散チャンバにおける密度プロファイルは、なおも図２に示したような同様の不均一な径方向プロファイルを示す。このように、シリンダ１１０および１５５の中心軸に直交する軸に向いた開口を介してのイオンビームの抽出は、中心部において高い電流密度を有し、ビームの周縁にてより低いビーム電流密度を有するような、尖鋭化されたリボンビームプロファイルをもたらす。この特徴は、不均一な注入量ひいては性能の低い最終的な半導体デバイスを製造することにつながるため、注入目的には許容し難いものである。
【００１９】
図５ａは、イオン源３００の第１実施例を示している。図３に関連して説明されたものと同様の２つのＩＣＰプラズマ源３０１および３０２は、拡散チャンバ２１０と軸方向に結合されている。拡散チャンバ２１０は、円筒形状であることが好ましく、誘電体シリンダ３０１および３０２よりも大きな、２０〜５０ｃｍのような径を有することが好ましい。ＩＣＰ源および拡散チャンバは、中心軸が同一直線となるように、換言すれば、３つの要素は同軸上にある。抽出用開口の高さは、３〜５ｍｍのように小さいことが好ましい。拡散チャンバ２１０の長さは、３００ｍｍ径のウェーハの注入が可能となる、３５ｃｍ幅を有するリボンビーム抽出用開口３３０を収容するように選択できる。拡散チャンバの長さについての限定条件は存在しないため、次世代の４５０ｍｍ径のウェーハへの注入を可能にする、より幅広の５０ｃｍの抽出用開口が可能である。
【００２０】
図５ｂは、プラズマイオン源３００の第２実施例を示している。複合型ＩＣＰ源の代わりに、図４に関連して説明されたものと同様の２つのＥＣＲプラズマ源３０１および３０２が拡散チャンバ２１０と軸方向に結合されている。
【００２１】
図６ａは、代表的な拡散チャンバの側面図を示しており、図６ｂは、図５ａおよびｂに示した実施例に使用できる代表的な拡散チャンバの断面図を示している。図６ｂに示すように、拡散チャンバのチャンバ筐体２４０は、アルミニウムまたは同様の透磁性材料から構成されることが好ましい。特定の実施例において、導電性ライナ２４５は、チャンバ筐体の内表面に設けられている。このライナ２４５は、ドープ炭化シリコンまたはグラファイトで構成されることが好ましく、２つの目的を有している。１つ目は、チャンバ壁２４０からの材料により、プラズマ２６０および得られたイオンビーム２７０のスパッタリングおよび汚染の危険性を低減する役割を果たすことである。２つ目は、その導電特性により、プラズマ電位の制御を保証することである。
【００２２】
陽イオンの抽出を可能にするために、チャンバは高電圧直流電源（図示せず）により電気的に正電位にバイアスされている。一実施例において、図６ａおよびｂに示されるように、抽出用光学素子２５０を用いてビームから抽出するために、単一の抽出用開口が使用される。典型的には、抽出用光学素子２５０は、様々な電位を有する一組の電極からなり、プラズマ２６０から陽イオンを抽出する役割を果たす。図６ｂは、三極管抽出用光学素子を示しているが、四極管または五極管アセンブリも同様に使用することができる。一実施例において、この開口は高さ３ｍｍ、長さ３５０ｍｍであるが、他の寸法および構成も可能である。第２実施例においては複数の平行な開口が用いられ、図６ｃに示すように、より幅広く高電流のリボンビーム２７０をもたらす複数のビームレット２７５の抽出が可能である。
【００２３】
図６ａに示すように、プラズマ２６０の均一性を改善するために、好ましくは拡散チャンバの長さ方向に向けられたＳｍ−ＣｏまたはＮｂ−Ｆｅ−Ｂのような永久磁石棒２８０の列により実現される、マルチカスプ磁場構成を使用してもよい。これらの磁石２８０は、拡散チャンバ２１０のチャンバ筐体２４０の外表面に面する極が、極性が交互に入れ替わるように実装される。換言すれば、１つの磁石列はＮ極がチャンバ筐体２４０に面するように配置される一方、その磁石列の各側に隣接する列の磁石は、それらのＳ極がチャンバ筐体に面するように配置される。このパターンが、抽出用開口２３０に極めて近接した領域を除いて、チャンバ筐体の外周で繰り返される。左右の拡散チャンバ壁にできるだけ多くの磁力線２８５を近づけるために、図６ｃに示す径方向パターンを形成する縦列の同一の極性を有する磁石棒２８０を連続的に配置することにより、マルチカスプ磁場を生成することができる。下記の式によれば、プラズマ中の磁場強度Ｂおよび磁力線２８５の侵入深さｙは、交互に入れ替わる極性を有する磁石の円周方向の間隔ｄ、磁石表面での磁場強度Ｂ０、および磁石の幅Δにより制御される。
【数４】
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これらのパラメータを適切に調整することにより、チャンバ壁の近くに強い磁場を形成することができるのに対して、バルクプラズマは磁場から離れている。このように、磁力線２８５により荷電粒子（電子およびイオン）が捕獲され、チャンバ壁２４０への損失が低減され、プラズマ密度および均一性が高められるだろう。磁場強度は、磁石を取り囲み“ヨーク”効果を形成するスチールシート２９０を追加することにより高めることができる。Δ＝３／８インチ、ｄ＝３／４インチである四角い断面形状のＳｍ−Ｃｏ磁石に対する一実施例において、チャンバ壁から１．５インチの位置での磁場強度は５０ガウスであった。提案された形状に対して、得られた全マルチカスプ磁場は、プラズマ２６０を抽出用開口２３０の方へシフトさせる。抽出用開口領域には磁場が存在しないため、荷電粒子は、抽出用開口２３０の方向に自由に動くことができ、高密度のイオンビームを抽出することができる。図６ｂおよび６ｃにおいて破線で示されているのは、磁場から解放されたバルクプラズマと、強い磁場が存在するゾーンとの境界である。
【００２４】
図７ａ〜ｄに示された別の実施例において、マルチカスプ磁場２８５を生成する永久磁石棒２８０は円周パターンで配置される。すなわち、同一の極性、例えばチャンバの内面に面するＮ極を有する磁石列が、抽出用開口が位置する円形セクタを除いて、チャンバの周に沿って配置される。このパターンは、図７ｄに示すように、交互に入れ替わる磁石を同心円に沿って配置することにより、左右の側壁上で続けられる。動作中に発生する熱から磁石を保護するために、拡散チャンバの周囲に冷却システム２９５（図７ｂおよびｃに示す）を設置することができる。冷却剤として水を使用することができるが、他の冷却液またはガスも同様に使用することができる。
【００２５】
図６および７は、マルチカスプ磁場を生成するために使用する、２つの代表的な構成を示している。双方の実施例に対して、所望でない磁気効果からビームを守るために、イオンビーム抽出領域およびバルクプラズマは磁場から解放されており、つまりマルチカスプ磁場は、抽出用開口が位置している円形セクタを除いて、拡散チャンバの周上で延在している。当業者は、この磁場を実現するために別の技術および構成を使用できることを理解されよう。
【００２６】
図４ａおよび４ｂを参照すると、ＥＣＲプラズマ源３０１および３０２は、プラズマを共通の拡散チャンバ中に注入する。各ＥＣＲプラズマ源の軸方向の磁場は互いに逆向きであるため、開口２３０を通してのイオン抽出が乱されないように、各ソレノイドにより生成される磁場が十分に低い値に低減することが必要である。これは、拡散チャンバに対しするソレノイドの適切な配置および左右の拡散チャンバフランジによって、ある程度実現できる。局所的なマルチカスプ磁場の強度は比較的高いため、ソレノイドにより生成される拡散チャンバ中の磁場の弱い軸方向の成分は無効となる。図８ａに示された得られた軸方向の磁場は、必要な磁場強度が各プラズマ源におけるＥＣＲ条件を達成することを可能にし、同時に拡散チャンバのバルク中のおおよそゼロの軸方向磁場を形成して、マルチカスプ磁場がプラズマを壁からはじくと同時に、プラズマを抽出用開口に“押す”ことができる。
【００２７】
図８ｂは、様々な構成のプラズマ密度を示す代表的なグラフを示している。“ＰＳ１”および“ＰＳ２”とラベルされた線は、１つのプラズマ源（ＩＣＰまたはＥＣＲ）のみが拡散チャンバ中にプラズマを注入する場合に対するプラズマ密度の代表的な関係を軸方向の位置の関数として示している。プラズマ密度は、プラズマ源１００からの軸方向の距離が増加するにつれて減少することに注意されたい。“ＰＳ１＋ＰＳ２”でラベルされた線は、２つのプラズマ源が動作している、つまり共通の拡散チャンバ中のプラズマをくみ出している構成に対するプラズマ密度の代表的なグラフを示しているが、この拡散チャンバは、マルチカスプ磁場を有していない。個々のプラズマ源からの密度は互いに足し合わされ、拡散チャンバの軸方向に沿ってより均一なプラズマ密度を形成することに注意されたい。このように、拡散チャンバ２１０内で生じる、第１プラズマ源３０１からの距離の増加に伴うプラズマ密度の減少は、第２プラズマ源３０２の存在により弱められる。“ＰＳ１＋ＰＳ２＋ＭＭ”とラベルされた線は、双方のプラズマ源が動作し、マルチカスプ磁場が存在する構成に対するプラズマ密度の代表的なプロファイルを示している。マルチカスプ磁場の存在は、均一なプラズマの縦方向の範囲を拡張する。
【００２８】
好適な実施例は２つのプラズマ源（ＩＣＰまたはＥＣＲのいずれか）を利用しているが、本開示は、拡散チャンバに結合された単一のプラズマ源の使用についても意図していることに注意されたい。この実施例において、拡散チャンバ内の深い位置ほど縦軸に沿ったプラズマ密度が減少することに起因する不均一なビームプロファイルは、（プラズマ密度が減少する方向に漸増する）可変の高さを有する抽出用開口および／または拡散チャンバ中のマルチカスプ磁場構成における磁場勾配の導入の使用等の別の技術により弱めることができる。
【００２９】
上述した両タイプのイオン源により、拡散チャンバにおいて得られるプラズマ密度を様々に変更できる。両実施例に対して、各プラズマ源には作業用ガスが独立に供給され、真空ポンピングは共通の拡散チャンバ上の抽出用開口を介して実現されるため、各プラズマ源へのガスの流量を、独立に変更することができる。これにより、縦方向に沿ったプラズマ密度プロファイルの細かい調整が可能となる。
【００３０】
第２に、拡散チャンバ内のマルチカスプ磁場は、プラズマ密度の均一性を改善するために調整できる。これは、表面磁場強度、磁石棒の寸法および離間間隔に対して適切な値を選択することにより実現できる。
【００３１】
ＩＣＰ源の場合、高周波アンテナを駆動するために使用されるパワーは、別の制御パラメータを導入することにより、各プラズマ源に対して独立に変更することができる。ＥＣＲ源に対しても同様に、注入されるマイクロ波のパワーは、独立に変更することができる。
【００３２】
ＥＣＲ源の場合、プラズマ密度の軸方向プロファイル、ひいてはビーム均一性の調整の別の方法は、直流電流を変更する（ソレノイドを使用する場合）または空間的な位置を調整する（永久磁石を使用する場合）ことによる、各プラズマ源における磁場の形状を調整することによるものである。
【００３３】
これらの調整ノブの各々を微調整することにより、拡張された幅の全体に亘って非常に均一なリボンビーム電流を抽出することができる。これにより、大口径ウェーハに対して均一な注入を行うことができる。
【００３４】
上述のように、この装置はイオン注入装置のために使用できる。このイオン源を用いて、３５０ミリメートル超５００ミリメートルまでの幅を有する、数百ミリアンペアの均一なリボンビームが生成できることが期待される。
【００３５】
しかしながら、この装置の使用は、従来のイオン注入用途のみに限定されない。この装置は、例えば図９に示すような、ウェーハ上に製造された太陽電池へのドーピングのような別の用途に対して使用できる。期待される抽出電流は非常に高いため、所望のドーピングを迅速に好ましくは１回の通過で実現できる。このような場合、ウェーハ５１０は、コンベアベルト５２０の表面上に載置され、ウェーハ５１０をリボンビーム２７０の照射の下で搬送する。一実施例において、ロボットアーム５００を使用して、ウェーハ５１０をコンベアベルト５２０上に載置する。この実施例において、ビーム電流およびコンベアベルト５２０の速度により、所望のドーズ量が設定される。注入後、ウェーハ５２０は、例えばロボットアーム５３０によりベルト５１０から取り去られる。
【００３６】
同様の方法で、図１０に示すように、太陽電池ホイル４００にドープできる。上述のイオンビーム源を用いて、２つのモータ駆動リール４１０および４２０上でくるまれたホイル４００を、真空チャンバを連続的に通過させてビーム経路を横切らせることができる。高いビーム電流により、所望のドーピングを迅速に、好ましくは１回の通過で行うことができ、ドーズ量はビーム電流およびリールの回転速度により設定される。図１０は、このプロセスの簡単な説明を示している。チャンバ筐体および拡散チャンバの断面が示されており、ここで、イオンビーム２７０が放射されている。イオン源の別の要素は、明確さのために図面から意図的に省略されているが、この構成に存在している。イオンビームは、図１０の面に直交する方向に長い寸法を有するリボン形状を有している。一実施例において、太陽電池ホイルは、放射されるリボンビームの幅と同じか、わずかに小さな幅を有している。イオンビームは、拡散チャンバ２１０の抽出用開口の下方を通過するときに、太陽電池ホイル４００の一部に衝突する。一実施例において、太陽電池ホイル４００は、回転リール４１０および４２０を介して搬送される。これらのリールの速度を調整して、ホイル４００の各位置がイオンビームに晒される時間を変更することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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